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光纤光栅及其在光纤传感器中的广泛而良好的应用前景引起了人们普遍的关注,由于它自身优良的滤波特性及信息对波长编码的特点,使其成为近些年来出现的一种新型光子器件。光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、信号带宽大、灵敏度高、易于复用、重量轻、结构紧凑,适于在高温、腐蚀性或危险性环境使用等优点,这种传感器在电力系统、大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为重要的意义。本文主要以布拉格(FBG)光纤光栅作为研究对象,对光纤布喇格光栅在传感领域的应用,传感的解调方法开展了比较深入的研究。论文的主要内容包括:
1、论述了近年来光纤光栅应用于通信和传感领域的研究成果,对其成栅机理作用机制及光纤光栅传感器的应用进行了介绍。
2、对光纤光栅传感的关键技术,写入技术和调谐技术进行了较深入系统的研究和分析。
3、深入研究了耦合模理论、光纤光栅布喇格条件及其反射谱公式。由布喇格条件出发,着重分析了温度和应力导致的反射波长变化,推导了受均匀压力作用时,其波长随压力变化的公式。实验研究了应力和温度对光纤光栅反射波长的影响。实验验证了理论结果。
4、对光纤光栅传感器的应力和温度交叉敏感问题及同时测量技术进行了研究,理论上推导出光纤光栅法布里一泊罗腔结构的输出光强随反射波长的变化。提出并论证了一种双光纤布喇格光栅温度不敏感的应力双传感方案。在同一根光纤上写入间隔一定距离的两个完全一样的布拉格光纤光栅,形成一个光纤光栅法布里-泊罗腔结构,其中参考光栅只受温度的影响,测量光栅同时受温度和应力的影响,在应力的影响下测量光栅的反射波长发生变化从而导致双光纤光栅的反射光的干涉强度发生改变,但温度变化并不影响反射光强的变化,通过测量反射光中的干涉光强度随波长的变化,就可以实现温度补偿应力的参数的测量。
5、研究了目前光纤光栅传感信号解调系统主要面临的技术问题。总结了现有的光纤光栅传感系统中的解调方法,比较了其优劣。在此基础上,实验设计了一种基于螺旋微进器的匹配FBG传感解调方案,进行了理论推导,给出了加载线性信号情况下解调信号的理论表达式;并成功进行了匹配光栅应力传感解调实验,实验中完成了1-1660N的应力信号的解调,实验结果与理论推导完全吻合。